【C++】异常 智能指针

1.C++异常

C++异常是一种处理错误的方式。当一个函数遇到自己无法处理的错误时就可以抛出异常，让该函数的直接或间接调用者通过捕获这个异常来处理错误。
一些异常关键字的介绍：

• throw：程序是通过throw关键字来抛出异常的
• catch：异常要通过catch关键字来进行捕获
• try：try{}中的程序可能会抛出异常

// 异常捕获的基本语法如下
try
{// ...
}
catch(Exception_1 e)
{// ...
}
catch(Exception_2 e)
{// ...
}
...

1.1.异常的抛出与捕获

异常是以对象形式抛出的，当throw在try{}里时，异常抛出，会首先查找匹配的catch。而且该对象的类型决定了由哪个catch进行捕获处理。而被选中的catch处理程序是与对象类型匹配且离异常抛出位置最近的一个。
如果没有匹配的catch则会跳出当前函数栈，在调用该函数的栈中查找匹配的catch。如果直到main函数栈帧都没有匹配的catch，程序则会终止。
异常对象可能是一个临时对象，在被抛出时出作用域会被销毁，所以异常对象的抛出会生成一个拷贝被catch捕获。
catch(...)语句可以捕获任意类型的对象，但是无法确定捕获的错误异常类型是什么。实际中通常会最后再加上一个catch(...)，防止程序直接终止。匹配合适的catch处理后，会继续沿着catch语句后面的程序执行。
抛异常时可以拋任意类型的对象，捕获时要求类型匹配。但实际中，抛出的异常对象类型并不一定要求和catch类型完全匹配。因为可以抛出派生类对象，使用基类进行捕获。

异常有时候也会被重新抛出，当前catch不能完全处理这样一个异常，在完成一些校正处理后，通过throw重新抛出给更上层的catch处理。

class Exception
{
public:Exception(const string& errmsg, int errid): _errmsg(errmsg), _errid(errid){}virtual string what() const{return _errmsg;}virtual int get() const{return _errid;}
protected:string _errmsg;int _errid;
};class HttpServerException : public Exception
{
public:HttpServerException(const string& errmsg, int id, const string& type): Exception(errmsg, id), _type(type){}virtual string what() const{return "HttpServerException:" + _type + ":" + _errmsg;}
protected:string _type;
};void SendMsg(const string& str)
{srand((unsigned int)time(0));if (rand() % 3 == 0){throw HttpServerException("网络错误", 333, "get");}else if (rand() % 4 == 0){throw HttpServerException("权限不足", 444, "post");}cout << str << "发送成功" << endl;
}void Server()
{string str = "hello world";// 出现网络错误，重试3次int count = 3;while (count--){try{SendMsg(str);// 程序走到此处，说明没有发生异常break;}catch (const Exception& e){if (e.get() == 333 && count > 0){continue;}else{throw e; // 异常重新抛出}}}
}void Test1()
{while (true){try{Server();}catch (const Exception& e){// 多态cout << e.what() << endl;}catch (...){cout << "Unkown Exception" << endl;}Sleep(1000);}
}

1.2.异常体系

C++本身是提供了一系列标准的异常的，这些异常是以父子类层次结构体系组织起来的，我们可以在程序中直接使用这些标准的异常，抛各种子类对象的异常，用一个父类对象进行接收。

我们也可以去继承execption类来实现自己的异常类。但实际中很多公司会定义一套自己的异常继承体系，一方面是为了规范的异常管理，另一方面C++标准异常还是不够好用。

1.3.异常安全与规范

可以在一个函数的后面接 throw(type...)，列出这个函数可能抛出的异常类型有哪些。
如果函数后面接的是throw()，表示函数不抛异常。C++11新增了noexcept，用于表示不会抛异常。

构造函数中最好不要抛异常，否则可能导致对象构造不完整。
析构函数中最好不要抛异常，否则可能导致资源泄露。

1.4.异常优缺点

C语言处理错误的方式有两种：

• assert终止程序。
• 返回错误码errno。

实际中C语言基本都是使用错误码的方式处理错误，有时候会使用终止程序的方式来处理非常严重的错误。
C++异常的优势主要是相对C语言而言的。

• 异常对象相比错误码的方式可以展示出错误的各种信息，来帮助更好的定位程序的bug。
• 错误码的使用有一个很大的问题就是，在函数调用层次中，深层的函数返回错误得层层返回。而异常可以直接跳到catch的地方。

异常也有缺点。

• 异常可能导致程序的执行流乱跳，使得跟踪调试以及分析程序时更麻烦。
• 异常很容易导致内存泄漏、死锁等安全问题。但这个基本可以通过RAII处理。

但异常总体而言利大于弊，另外面向对象的语言基本都是使用异常处理错误的，这也是大势所趋。

2.智能指针

int div()
{int a, b;cin >> a >> b;if (b == 0)throw invalid_argument("Division by zero error");return a / b;
}void Func()
{// 1、如果p1处new 抛异常会如何？// 2、如果p2处new 抛异常会如何？// 3、如果div调用处又抛异常会如何？int* p1 = new int;int* p2 = new int;cout << div() << endl;delete p1;delete p2;
}void Test2()
{try{Func();}catch (exception& e){cout << e.what() << endl;}
}

通过这个程序我们可以看到，p1抛异常时没什么问题，p1和p2都没创建出来；
p2抛异常时，p1创建出来了，但没有释放，导致内存泄露了；
div()抛异常时，p1和p2都创建出来了，但都没有释放，导致内存泄露了。
这里简单介绍一下内存泄漏的知识。
内存泄漏是指因为人为的疏忽或错误，而造成的程序未能释放已经不再使用的内存的情况。
内存泄漏并不是物理上内存的消失，而是由于程序失去了对该段内存的控制管理，而造成的内存的浪费。
长期运行的程序如果存在内存泄漏，会导致服务响应越来越慢，直至最终卡死。
C/C++程序一般关注两种方式的内存泄漏：堆内存泄露 和 系统资源泄露。
而内存泄漏的解决方式也分为两种：

• 事前预防型，如智能指针的使用。
• 事后差错型，如使用内存泄漏工具进行检测。

2.1.RAII

RAII(Resource Acquisition Is Initialization) - 资源获得即初始化。
RAII是一种通过利用对象生命周期来控制程序资源的简单技术。
在对象构造时获取资源，使控制的资源在对象生命周期内始终保持有效，最后在对象析构时释放资源。
这样做就不需要显式地释放资源，而且对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效。

template<class T>
class SmartPtr
{
public:SmartPtr(T* ptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){cout << "~SmartPtr()" << endl;delete _ptr;}
private:T* _ptr;
};int div()
{int a, b;cin >> a >> b;if (b == 0)throw invalid_argument("Division by zero error");return a / b;
}void Func()
{int* p1 = new int;SmartPtr<int> sp1(p1);int* p2 = new int;SmartPtr<int> sp2(p2);cout << div() << endl;
}void Test3()
{try{Func();}catch (exception& e){cout << e.what() << endl;}
}

这里有了RAII的设计，就不用担心p1和p2的内存泄漏问题了。

2.2.智能指针的使用及原理

像上面的SmartPtr还不能称其为智能指针，因为它还不具备指针的行为。因此还需要重载*，->，让其像指针一样去使用。

T& operator*()
{return *_ptr;
}T* operator->()
{return _ptr;
}

2.2.1.auto_ptr

C++98库中就提供了auto_ptr智能指针。其实现原理就是将资源管理权进行转移。

// auto_ptr 简单模拟实现
template<class T>
class auto_ptr
{
public:auto_ptr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}auto_ptr(auto_ptr<T>& ap): _ptr(ap._ptr){// 资源管理权转移，但同时被转移对象也被悬空ap._ptr = nullptr;}auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap){if (this != &ap){// 被赋值对象需要先被清理delete _ptr;_ptr = ap._ptr;ap._ptr = nullptr;}return *this;}~auto_ptr(){delete _ptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}
private:T* _ptr;
};

auto_ptr可以说是一个失败的设计， 所以能不用就不用。

2.2.2.unique_ptr

unique_ptr的实现就是简单粗暴的防拷贝。

// unique_ptr 简单模拟实现
template<class T>
class unique_ptr
{
public:unique_ptr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}// 防拷贝unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;~unique_ptr(){delete _ptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}
private:T* _ptr;
};

2.2.3.shared_ptr

shared_ptr支持拷贝。
shared_ptr是通过引用计数的方式来支持拷贝，支持多个shared_ptr对象共享资源的。
在shared_ptr中，为每份资源都维护着一份计数。当一个shared_ptr对象被析构时，引用计数就减一，直到引用计数减为0，才释放资源。

// shared_ptr 简单模拟实现
template<class T>
class shared_ptr
{
public:// 构造 引用计数初始化为1shared_ptr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr), _pCount(new int(1)){}// 拷贝 ++引用计数shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp): _ptr(sp._ptr), _pCount(sp._pCount){++(*_pCount);}// 赋值 ++引用计数shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){if (_ptr != sp._ptr){// 需要先处理好当前资源的释放Release();_ptr = sp._ptr;_pCount = sp._pCount;++(*_pCount);}return *this;}void Release(){if (--(*_pCount) == 0){cout << "void Release()" << endl;delete _ptr;delete _pCount;}}// 直到引用计数减为0才彻底释放资源~shared_ptr(){Release();}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}int use_count(){return *_pCount;}T* get(){return _ptr;}
private:T* _ptr;int* _pCount; // 一个资源，配一个计数，多个智能指针对象共管
};

shared_ptr引用计数不能采用静态计数。静态成员属于整个类，属于类的所有对象。如果申请了两份相同类型的资源，无法做到区分。

2.2.4.shared_ptr的循环引用问题 & weak_ptr

class Node
{
public:int _val;std::shared_ptr<Node> _prev;std::shared_ptr<Node> _next;~Node(){cout << "~Node()" << endl;}
};void Test4()
{std::shared_ptr<Node> n1(new Node);std::shared_ptr<Node> n2(new Node);cout << n1.use_count() << endl;cout << n2.use_count() << endl;n1->_next = n2;n2->_prev = n1;cout << n1.use_count() << endl;cout << n2.use_count() << endl;
}

上面的程序结束后资源有没有被释放呢？
结果告诉我们是没有的（如果释放了的话会调用析构打印~Node()）。
那为什么没有释放呢？
如图，展示了程序中节点的指向情况：

在Test4()结束的时候，n2先析构，n1再析构，此时左边的节点和右边的节点，它们的引用计数都由2减为1；
此时，由左边节点的_next管着右边的节点，由右边节点的_prev管着左边的节点；
只要左边节点的_next被析构，右边的节点引用计数减为0，就可以被delete；
而左边节点的_next要析构，就必须让左边的节点被delete，左边节点的_next作为成员才会被析构；
而左边的节点要被delete，就必须析构右边节点的_prev，使左边的节点引用计数减为0；
而右边节点的_prev要析构，就必须让右边的节点被delete，右边节点的_prev作为成员才会被析构；
而右边的节点要被delete，就必须析构左边节点的_next，使右边的节点引用计数减为0。
…
由于左边节点的_next和右边节点的_prev相互牵制着，最后谁也释放不了。这就是循环引用问题。
weak_ptr可以用于解决循环引用问题，而且weak_ptr正是作为辅助型智能指针，为了配合解决shared_ptr的循环引用问题才被设计出来的。

// weak_ptr 的简单模拟实现
template<class T>
class weak_ptr
{
public:weak_ptr(): _ptr(nullptr){}weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp): _ptr(sp.get()){}weak_ptr(const weak_ptr<T>& wp): _ptr(wp._ptr){}weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){_ptr = sp.get();return *this;}weak_ptr<T>& operator=(const weak_ptr<T>& wp){_ptr = wp._ptr;return *this;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}
private:T* _ptr;
};

weak_ptr不是常规的智能指针，它没有RAII，它可以访问和修改资源，但不参与资源释放管理。
weak_ptr主要是用shared_ptr构造，用来解决shared_ptr的循环引用问题。

class Node
{
public:int _val;std::weak_ptr<Node> _prev;std::weak_ptr<Node> _next;~Node(){cout << "~Node()" << endl;}
};

智能指针总结
智能指针的设计主要考虑三点：

1. 利用RAII思想来管理释放资源
2. 保持有指针一样的行为
3. 解决拷贝问题

2.3.定制删除器

对于申请的资源需要释放，但对于不同的申请方式，就需要不同的释放方式。定制删除器正是为了使申请与释放的方式进行匹配。

void Test5()
{// shared_ptr 支持构造时传删除器 仿函数版std::shared_ptr<Node> n1(new Node[5], DeleteArray<Node>());std::shared_ptr<Node> n2(new Node, Delete<Node>());std::shared_ptr<int> n3(new int[5], DeleteArray<int>());std::shared_ptr<int> n4(new int, Delete<int>());std::shared_ptr<int> n5((int*)malloc(sizeof 12), Free<int>());// shared_ptr lambda版std::shared_ptr<Node> n6(new Node[5], [](Node* ptr) {cout << "delete[] ptr;" << endl; delete[] ptr; });std::shared_ptr<Node> n7(new Node, [](Node* ptr) {cout << "delete ptr;" << endl; delete ptr; });std::shared_ptr<int> n8(new int[5], [](int* ptr) {cout << "delete[] ptr;" << endl; delete[] ptr; });std::shared_ptr<int> n9(new int, [](int* ptr) {cout << "delete ptr;" << endl; delete ptr; });std::shared_ptr<int> n10((int*)malloc(sizeof 12), [](int* ptr) {cout << "free(ptr);" << endl; free(ptr); });std::shared_ptr<FILE> n11(fopen("test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {cout << "fclose(ptr);" << endl; fclose(ptr); });// unique_ptr 支持类模板传迭代器类型，不支持构造时传迭代器std::unique_ptr<Node, DeleteArray<Node>> n12(new Node[5]);
}

看到这里，你能回答下列问题了吗？

1. 为什么需要智能指针？
2. 什么是RAII
3. auto_ptr/unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr之间的使用区别？
4. 什么是循环引用？如何解决循环引用？